第一讲光电子器件在光纤通信中的应用_黄翊东
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*
[ 2]
( erbium - doped optica l 使现有的光纤通信系
统的传输能力得到巨大提高 . 目前每对光纤可传送
2004- 11- 04收到初稿, 2005 - 04- 05修回 通讯联系人. Ema i:l yidonghuang@ ts inghua. edu . cn
739 34 卷 ( 2005 年 ) 10 期
中叶开始引入光纤通信的产品以来 , 10 年间已建成 近 230 万公里的光缆传输网 , 其中长途光缆线路近 50万公里 . 光纤通信除了中继距离长、 抗电磁干扰、 保密性好、 成本低等优点外, 它在通信容量上的巨大 潜力是任何一种以往的通信手段所不能比拟的. 我 们知道, 人们一直是通过提高载频来扩大通信容量 的, 光频要比无线通信使用的频率高得多, 所以通信 容量也相应地大得多. 近年来的两大技术进步 [ 1] 波分 复 用 ( w avelength - d iv isio n m ultip lex ing, WDM ) 和掺铒光纤放大器 - f ib er am plifer , EDFA )
[ 5]
1 . 55 m, 近 年来 , InGaA l As 和
[ 4]
InG aAsN 等材料也成为这一波长段的新成员 . LED 已经有 30 年以上的发展历史了. 虽然它们 的输出功率远远小于 LD, 但是在价格上的优势使得 它们在短距离的局域网中占 有一席之地. LD 是 20 世纪 70 年代发展起来的 , 它以其输出功率大、 定向 性好、 光谱宽度窄以及相干性好等特点成为长距离 光纤系统的最佳光源. LD 的基本结构如图 2 所示 , 目前主要采用双异 质结结构
( LED ). 这不仅是因为它 们的体积都很小 ( 典 型尺 500 m 长、 100 重要的是它们可以通过载流子注入 , 即注入电流 , 来 控制输出功率 , 从而可以直接进行强度调制 , 而且它 们的输出波长正好与光纤的低损耗窗口一致, 采用 GaA lA s 和 G a A s 材 料 构 成 异 质 结, 发 光 波 长 为 0 85 m, 采用 InG a A sP 和 InP 材料的异质结 LD 的 发光波长为 1 . 3
34 卷 ( 2005 年 ) 10 期
[ 9]
引入量子阱或应变量子阱结构有源区 , 可以大 [ 13 17 ] 幅度全面提高半导体激光器的性能 , 比如降低 阈值电流、 提高微分增益以及高速调制特性、 改善器 件的温度特性等, 量子阱结构成为应用于长距离大 容量光纤通信系统中的光源的首选有源区结构. 2 . 2 分布反馈式半导体激光器 随着光纤通信的发展, 特别是 W DM 技术的出 现, 对作为光源的 LD 提出了新的挑战. W DM 技术 是在一根光纤上同时传输多个波长 , 为了增加传输 信道 , 各路波长之间的间隔非常小, 密集 WDM 的波 长间隔通常在 200GH z( 1 . 6nm ) 以下 . 为了防止各个 波长信号彼此之间的串扰, 要求每个波长必须拥有
Optoelectronic devices in optical fiber comm unications
HUANG Y i Dong
(Departm en t of E lec tron ic E ng in eering, T singhua University, B eijing
100084, Ch ina )
光电子器件及其应用专题
第一讲
光电子器件在光纤通信中的应用
黄 翊 东
100084 ) ( 清华大学电子工程系 北京
*
摘
要
光纤通信技术发展的阶段 性飞跃总是伴随新型光电材料和功能器件的突破 . 文章 介绍了光纤 通信系统
中应用到的各种光电子器件 , 从光纤通信 的 3 个环 节 : 光 发送、 光 接受、 光 放大为 出发 点 , 着重阐 述了 半导体 激光 器、 光调制器、 光检测器、 光放大器等关键器件的基本原理、 工作特性以及发展现状和趋 势 , 并 在回顾传统 集成光电 子器件发展的同时 , 展望了以新一代微纳结构光电子器件为基础的光子集成技术的发展趋 势 . 关键词 光纤通信 , 光电子器件 , 半导体 , 有源器件
[ 6]
( 图 3) , 即有源层两侧的包层是宽带隙
材料 , 同时又是低折射率材料 , 它不仅能够将注入有 源区的载流子限制在一条形窄带内 , 有利于产生高 的增益, 还形成光波导, 将大部分的光场限制在有源 区内 . 正是这种结构对载流子和光场的双重限制作 用, 有效地降低了激光器的阈值, 使得 LD 的室温激 射得以实现
740 物理
2 半导体激光器
发送器的核心是光源, 光源的主要功能就是将 一个电信号转换为光信号. 今天的光纤通信系统中 选用的是微型的半导体光源 - 半导体激光器 激光 二 极 管 , 寸 250
[ 3]
(即
laser diode , LD ) 和 发 光 二 极 管 300 m 宽、 100 m 高 ) , 更
[ 18 , 19 ]
图 3 双异质结结构对载流子和光场的双重限制作用
[ 12] [ 10, 11]
.
区的材料 GaA s的折射率大约为 3 . 6 , 从有源区出射 到空气中的光将有 30 % 以上会被反射回来, 构成一 个理想的法布里 - 帕罗 ( F abry- Pero, t F - P ) 平面 腔. 为了对载流子实现侧向限制, 目前一般多采用 掩埋异质结
741
的有源区是由厚度为几个纳
光电子器件及其应用专题 非常窄的光谱线宽. 这不仅要求光源的光谱线宽要 窄 , 而且 , 要在 Gb / s的调制速率下保证单模工作的 稳定性 , 即所谓的动态单模工作 . 普通结构的 F - P 腔 LD 在电信号调制下容易光谱 展宽, 变成多纵模 输出, 已经不能满足 WDM 系统的要求 , 分布反馈式 ( distrib uted- feedback, DFB) LD 则应运而生
1 引言
用光来传递信息是一种古老的通信方式 , 中国 古代烽火台的狼烟就是代表性的一例. 现代的光通 信是在光的传媒 光导纤维 出现之后发展起 来的, 并且在过去的 20 年中以惊人的速度发展 , 使 得当今所有的通信技术领域都受到了它的冲击 . 在 信息量爆炸性增长的今天 , 光纤通信无可争议地成 为信息传递的主力. 以光纤通信为代表的传输网构 架了现代通信最重要的基础网络, 成为近年来通信 界发展最快、 技术最为成熟和完善的亮点 . 最早的商用光纤系统于 1977 年开通在美国芝 加哥和 Santa M on ica 之间. 我国自 20 世纪 90 年代
Abstract
Op toelectron ic devices u sed in op tical fiber commun ications are reviewed. T he basic concep ts ,
p erfor m ance , and research p rogress o f various k ey dev ices u sed in opt ical tran sponders , detectors and repeat ers, such as laser d iod es , opt ica lmodu lators , photod iodes, and op tical a m p lifiers , are described. A n introduc tion to conven tion al in tegrated devices , as well as the new gen eration in tegrated technology based on nano struc ture op toelectron ics , is also g iven. K eywords opt ica l fiber commun ications, op toelectron ic d evices , sem iconductor , act ive dev ices
米的窄带隙材料 ( 势阱区 ) 和宽带隙材料 (势垒区 ) 交替构成 ( 图 5), 20 世纪 80 年代发展 起来的分子 束外延 ( MBE )、 金属 有机化学气相沉 积 ( MOCVD ) 等新型晶体外延生长新工艺能够精确控制晶体生长 厚度达到原子层的精度 . 势阱中的电子和空穴 沿垂直阱壁方向的运动呈现量子化 , 电子的状态密 度也变为类阶梯状 . 这时只需要很小的注入电流就 可以达到粒子数反转. 在此基础上发展起来的应变 量子阱结构是通过在势阱和势垒的材料生长中引入 微量的晶格失配量而产生的应力 , 进一步改善了量 子阱中的电子状态密度 . 今天 , 量子阱结构, 特别是 应变量子阱结构, 已被广泛应用于各种有源半导体 器件中. 这种人为改变电子的 运动状态 ( 即能带结 构 )以获得所需器件性能的做法被称为是 能带工 程
光电子器件及其应用专题
图 1 光纤通信系统示意图
几万路信号 ( 数 Gb / s的量级 ), 而这还远远没有达 到其传送容量的极限 . 光纤通信为人类社会提供了 前所未有的大容量的廉价通信平台, 被称为是从电 子通信到光子通信的一次飞跃. 进入 21 世纪的人类迈向信息化的时代 , 以海量 信息的高速传输为基础的国际范围信息网络化是实 现知识和经济全球化的必要条件, 这为光纤通信的 应用提供了广阔的发展空间 . 同时, 光纤通信技术与 计算机技术的结合, 使传统的以及现代的各种通信 技术得以综合利用, 传统的光纤通信技术正在以网 络的形态登上新的历史舞台 . 光纤通信系统主要是由光发送、 光传输和光接 收三部分组成 (图 1) . 光发送器中有光源、 驱动器和 调制器 , 它的功能是将要传输的语音、 视频、 数据等 信号通过电端机加到光源 ( 或调制器 ) 上产生调制 的光信号, 并将其耦合到光纤中去; 光传输部分主要 由光纤 ( 光缆 ) 和 中继器组 成, 在 短距离通 信系统 中 , 一般不需要中继器 ; 由光纤传送来的光波信号入 射到光接收部分 , 那里的光检测器将光信号接收、 解 调成电信号 , 然后进行电放大处理, 还原成原来的信 息 . 通过适当的接口设备, 这样一个光传输单元可以 和现有的数字或模拟通信系统、 有线或无线通信系 统互连 . 我们看到 , 一个完整的光纤通信系统除了它的 传输主体 - 光纤 - 之外 , 还必须有各种光学元件和 光电子器件的支持. 正是这些功能与技术不同的元 器件的研制成功使得光纤通信系统发展到了今天的 形态. 光纤通信系统中的元器件大体可分为无源和 有源两大类, 光耦合器、 光滤波器、 光 开关、 光衰减 器、 光环形器和光隔离器等 属于无源元器件 , 而光 源、 放大器、 光检测器等属于有源器件. 有源器件的 工作原理都是基于光与电的相互作用, 它们是光电 子器件的主体. 本文将着重介绍光纤通信系统的几 种主要的光电子器件.
[ 8]
图 5 量子阱能带结构
( buried hetrostructu re, BH ). 这种结构
是通过刻蚀工 艺将有源 区刻蚀形 成宽度 仅为 1 2 m 的细条 , 然后在有源区的两侧生长异质结构从 而实现对载流子的侧向限制 ( 图 4) . BH 结构 LD 具 有输出功率稳定、 线性好源自文库 阈值低等一系列的优点, 在光纤通信中占有重要的地位. 为了满足不断发展的光纤通信系统的需求, LD 的特性也在逐步提高 . 下面介绍它几个重要的发展 阶段. 2 . 1 量子阱半导体激光器 量子阱结构 LD
[ 7]
.
LD 是靠 pn 结正向注入载流子的复合发光 , 但 要发射激光, 和其他的激光器一样还需要有合适的 光学谐振腔起反馈作用. LD 的光学谐振腔通常是由 与 pn 结平面相垂直的自然解理面构成. 比如, 有源
光电子器件及其应用专题
图 2 半导体激光器 ( LD ) 图 4 掩埋条形半导体激光器剖面图
[ 2]
( erbium - doped optica l 使现有的光纤通信系
统的传输能力得到巨大提高 . 目前每对光纤可传送
2004- 11- 04收到初稿, 2005 - 04- 05修回 通讯联系人. Ema i:l yidonghuang@ ts inghua. edu . cn
739 34 卷 ( 2005 年 ) 10 期
中叶开始引入光纤通信的产品以来 , 10 年间已建成 近 230 万公里的光缆传输网 , 其中长途光缆线路近 50万公里 . 光纤通信除了中继距离长、 抗电磁干扰、 保密性好、 成本低等优点外, 它在通信容量上的巨大 潜力是任何一种以往的通信手段所不能比拟的. 我 们知道, 人们一直是通过提高载频来扩大通信容量 的, 光频要比无线通信使用的频率高得多, 所以通信 容量也相应地大得多. 近年来的两大技术进步 [ 1] 波分 复 用 ( w avelength - d iv isio n m ultip lex ing, WDM ) 和掺铒光纤放大器 - f ib er am plifer , EDFA )
[ 5]
1 . 55 m, 近 年来 , InGaA l As 和
[ 4]
InG aAsN 等材料也成为这一波长段的新成员 . LED 已经有 30 年以上的发展历史了. 虽然它们 的输出功率远远小于 LD, 但是在价格上的优势使得 它们在短距离的局域网中占 有一席之地. LD 是 20 世纪 70 年代发展起来的 , 它以其输出功率大、 定向 性好、 光谱宽度窄以及相干性好等特点成为长距离 光纤系统的最佳光源. LD 的基本结构如图 2 所示 , 目前主要采用双异 质结结构
( LED ). 这不仅是因为它 们的体积都很小 ( 典 型尺 500 m 长、 100 重要的是它们可以通过载流子注入 , 即注入电流 , 来 控制输出功率 , 从而可以直接进行强度调制 , 而且它 们的输出波长正好与光纤的低损耗窗口一致, 采用 GaA lA s 和 G a A s 材 料 构 成 异 质 结, 发 光 波 长 为 0 85 m, 采用 InG a A sP 和 InP 材料的异质结 LD 的 发光波长为 1 . 3
34 卷 ( 2005 年 ) 10 期
[ 9]
引入量子阱或应变量子阱结构有源区 , 可以大 [ 13 17 ] 幅度全面提高半导体激光器的性能 , 比如降低 阈值电流、 提高微分增益以及高速调制特性、 改善器 件的温度特性等, 量子阱结构成为应用于长距离大 容量光纤通信系统中的光源的首选有源区结构. 2 . 2 分布反馈式半导体激光器 随着光纤通信的发展, 特别是 W DM 技术的出 现, 对作为光源的 LD 提出了新的挑战. W DM 技术 是在一根光纤上同时传输多个波长 , 为了增加传输 信道 , 各路波长之间的间隔非常小, 密集 WDM 的波 长间隔通常在 200GH z( 1 . 6nm ) 以下 . 为了防止各个 波长信号彼此之间的串扰, 要求每个波长必须拥有
Optoelectronic devices in optical fiber comm unications
HUANG Y i Dong
(Departm en t of E lec tron ic E ng in eering, T singhua University, B eijing
100084, Ch ina )
光电子器件及其应用专题
第一讲
光电子器件在光纤通信中的应用
黄 翊 东
100084 ) ( 清华大学电子工程系 北京
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摘
要
光纤通信技术发展的阶段 性飞跃总是伴随新型光电材料和功能器件的突破 . 文章 介绍了光纤 通信系统
中应用到的各种光电子器件 , 从光纤通信 的 3 个环 节 : 光 发送、 光 接受、 光 放大为 出发 点 , 着重阐 述了 半导体 激光 器、 光调制器、 光检测器、 光放大器等关键器件的基本原理、 工作特性以及发展现状和趋 势 , 并 在回顾传统 集成光电 子器件发展的同时 , 展望了以新一代微纳结构光电子器件为基础的光子集成技术的发展趋 势 . 关键词 光纤通信 , 光电子器件 , 半导体 , 有源器件
[ 6]
( 图 3) , 即有源层两侧的包层是宽带隙
材料 , 同时又是低折射率材料 , 它不仅能够将注入有 源区的载流子限制在一条形窄带内 , 有利于产生高 的增益, 还形成光波导, 将大部分的光场限制在有源 区内 . 正是这种结构对载流子和光场的双重限制作 用, 有效地降低了激光器的阈值, 使得 LD 的室温激 射得以实现
740 物理
2 半导体激光器
发送器的核心是光源, 光源的主要功能就是将 一个电信号转换为光信号. 今天的光纤通信系统中 选用的是微型的半导体光源 - 半导体激光器 激光 二 极 管 , 寸 250
[ 3]
(即
laser diode , LD ) 和 发 光 二 极 管 300 m 宽、 100 m 高 ) , 更
[ 18 , 19 ]
图 3 双异质结结构对载流子和光场的双重限制作用
[ 12] [ 10, 11]
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区的材料 GaA s的折射率大约为 3 . 6 , 从有源区出射 到空气中的光将有 30 % 以上会被反射回来, 构成一 个理想的法布里 - 帕罗 ( F abry- Pero, t F - P ) 平面 腔. 为了对载流子实现侧向限制, 目前一般多采用 掩埋异质结
741
的有源区是由厚度为几个纳
光电子器件及其应用专题 非常窄的光谱线宽. 这不仅要求光源的光谱线宽要 窄 , 而且 , 要在 Gb / s的调制速率下保证单模工作的 稳定性 , 即所谓的动态单模工作 . 普通结构的 F - P 腔 LD 在电信号调制下容易光谱 展宽, 变成多纵模 输出, 已经不能满足 WDM 系统的要求 , 分布反馈式 ( distrib uted- feedback, DFB) LD 则应运而生
1 引言
用光来传递信息是一种古老的通信方式 , 中国 古代烽火台的狼烟就是代表性的一例. 现代的光通 信是在光的传媒 光导纤维 出现之后发展起 来的, 并且在过去的 20 年中以惊人的速度发展 , 使 得当今所有的通信技术领域都受到了它的冲击 . 在 信息量爆炸性增长的今天 , 光纤通信无可争议地成 为信息传递的主力. 以光纤通信为代表的传输网构 架了现代通信最重要的基础网络, 成为近年来通信 界发展最快、 技术最为成熟和完善的亮点 . 最早的商用光纤系统于 1977 年开通在美国芝 加哥和 Santa M on ica 之间. 我国自 20 世纪 90 年代
Abstract
Op toelectron ic devices u sed in op tical fiber commun ications are reviewed. T he basic concep ts ,
p erfor m ance , and research p rogress o f various k ey dev ices u sed in opt ical tran sponders , detectors and repeat ers, such as laser d iod es , opt ica lmodu lators , photod iodes, and op tical a m p lifiers , are described. A n introduc tion to conven tion al in tegrated devices , as well as the new gen eration in tegrated technology based on nano struc ture op toelectron ics , is also g iven. K eywords opt ica l fiber commun ications, op toelectron ic d evices , sem iconductor , act ive dev ices
米的窄带隙材料 ( 势阱区 ) 和宽带隙材料 (势垒区 ) 交替构成 ( 图 5), 20 世纪 80 年代发展 起来的分子 束外延 ( MBE )、 金属 有机化学气相沉 积 ( MOCVD ) 等新型晶体外延生长新工艺能够精确控制晶体生长 厚度达到原子层的精度 . 势阱中的电子和空穴 沿垂直阱壁方向的运动呈现量子化 , 电子的状态密 度也变为类阶梯状 . 这时只需要很小的注入电流就 可以达到粒子数反转. 在此基础上发展起来的应变 量子阱结构是通过在势阱和势垒的材料生长中引入 微量的晶格失配量而产生的应力 , 进一步改善了量 子阱中的电子状态密度 . 今天 , 量子阱结构, 特别是 应变量子阱结构, 已被广泛应用于各种有源半导体 器件中. 这种人为改变电子的 运动状态 ( 即能带结 构 )以获得所需器件性能的做法被称为是 能带工 程
光电子器件及其应用专题
图 1 光纤通信系统示意图
几万路信号 ( 数 Gb / s的量级 ), 而这还远远没有达 到其传送容量的极限 . 光纤通信为人类社会提供了 前所未有的大容量的廉价通信平台, 被称为是从电 子通信到光子通信的一次飞跃. 进入 21 世纪的人类迈向信息化的时代 , 以海量 信息的高速传输为基础的国际范围信息网络化是实 现知识和经济全球化的必要条件, 这为光纤通信的 应用提供了广阔的发展空间 . 同时, 光纤通信技术与 计算机技术的结合, 使传统的以及现代的各种通信 技术得以综合利用, 传统的光纤通信技术正在以网 络的形态登上新的历史舞台 . 光纤通信系统主要是由光发送、 光传输和光接 收三部分组成 (图 1) . 光发送器中有光源、 驱动器和 调制器 , 它的功能是将要传输的语音、 视频、 数据等 信号通过电端机加到光源 ( 或调制器 ) 上产生调制 的光信号, 并将其耦合到光纤中去; 光传输部分主要 由光纤 ( 光缆 ) 和 中继器组 成, 在 短距离通 信系统 中 , 一般不需要中继器 ; 由光纤传送来的光波信号入 射到光接收部分 , 那里的光检测器将光信号接收、 解 调成电信号 , 然后进行电放大处理, 还原成原来的信 息 . 通过适当的接口设备, 这样一个光传输单元可以 和现有的数字或模拟通信系统、 有线或无线通信系 统互连 . 我们看到 , 一个完整的光纤通信系统除了它的 传输主体 - 光纤 - 之外 , 还必须有各种光学元件和 光电子器件的支持. 正是这些功能与技术不同的元 器件的研制成功使得光纤通信系统发展到了今天的 形态. 光纤通信系统中的元器件大体可分为无源和 有源两大类, 光耦合器、 光滤波器、 光 开关、 光衰减 器、 光环形器和光隔离器等 属于无源元器件 , 而光 源、 放大器、 光检测器等属于有源器件. 有源器件的 工作原理都是基于光与电的相互作用, 它们是光电 子器件的主体. 本文将着重介绍光纤通信系统的几 种主要的光电子器件.
[ 8]
图 5 量子阱能带结构
( buried hetrostructu re, BH ). 这种结构
是通过刻蚀工 艺将有源 区刻蚀形 成宽度 仅为 1 2 m 的细条 , 然后在有源区的两侧生长异质结构从 而实现对载流子的侧向限制 ( 图 4) . BH 结构 LD 具 有输出功率稳定、 线性好源自文库 阈值低等一系列的优点, 在光纤通信中占有重要的地位. 为了满足不断发展的光纤通信系统的需求, LD 的特性也在逐步提高 . 下面介绍它几个重要的发展 阶段. 2 . 1 量子阱半导体激光器 量子阱结构 LD
[ 7]
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LD 是靠 pn 结正向注入载流子的复合发光 , 但 要发射激光, 和其他的激光器一样还需要有合适的 光学谐振腔起反馈作用. LD 的光学谐振腔通常是由 与 pn 结平面相垂直的自然解理面构成. 比如, 有源
光电子器件及其应用专题
图 2 半导体激光器 ( LD ) 图 4 掩埋条形半导体激光器剖面图